KR102025750B1

KR102025750B1 - 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택

Info

Publication number: KR102025750B1
Application number: KR1020180051721A
Authority: KR
Inventors: 권준택; 김명주; 명재범; 김민석; 전희권
Original assignee: 에스퓨얼셀(주)
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-05-04

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평탄도 개선을 위한 연료전지 분리판에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지 분리판은 플레이트의 일변으로 볼록하게 돌출된 변형 방지부에 의해 평탄도를 개선할 수 있어, 온도 변화에 따른 뒤틀림을 방지할 수 있으며, 이에 따른 접촉불량이나 파괴 등을 예방할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 상기 분리판을 포함하여, 전체적이 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공할 수 있다.

Description

연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 {Fuel cell separator for and the fuel cell stack having the same}

본 발명은 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평탄도 개선을 위한 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지는 수소 등의 친환경연료를 사용하여 전기를 생산하는데 있어서 가장 효율이 높은 이상적인 에너지 변환장치로 일컬어지고 있으며, 미래사회의 핵심이 되는 기술이 될 것이다. 한편 에너지원과 에너지 저장매체로 화석연료를 사용하는 현 시점에서도 고효율의 친환경적인 에너지전환장치로서의 연료전지는 응용 가능 분야가 다양하고, 에너지 절약 및 기타 특수 목적을 위해 현재 세계 각국에서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

연료전지(Fuel cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 도 1을 참조하여, 연료전지 스택(1)의 구성을 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(2)과 상기 전해질막(2) 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(4) 및 연료극(6)으로 구성되어 있다.

또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 공기극(4) 및 연료극(6)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(8, GDL: Gas Diffusion Layer) 이 적층되고, 상기 가스확산층(8)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물이 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(10)이 가스켓(9)을 사이에 두고 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 결합된다.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(6)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(2)과 분리막을 통하여 공기극(4)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(4)에서는 연료극(6)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

한편, 상기 분리판(10)은 가스확산층(8)에 밀착되는 랜드와 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.

즉, 일반적인 분리판(10)은 랜드와 채널(유로)이 반복적으로 굴곡된 구조로 되어 있기 때문에 가스확산층(8)과 마주보는 일면쪽의 채널은 수소 또는 공기와 같은 반응기체가 흐르는 공간으로 활용되고, 동시에 반대쪽 채널은 냉각수가 흐르는 공간으로 활용됨에 따라, 수소/냉각수 채널을 갖는 분리판(10) 1장과, 공기/냉각수 채널을 갖는 분리판(10) 1장 등 총 2장의 분리판(10)으로 하나의 단위전지를 구성할 수 있다(도 2 참조).

상기 분리판은 막전극접합체와 더불어 연료전지 핵심부품으로 막전극접합체와 기체확산층의 구조적 지지, 발생한 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송, 반응생성물의 수송 및 제거, 그리고 반응열 제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당하는 연료전지의 핵심부품이다.

상기 분리판은 우수한 전도성 및 화학적 안정성을 갖는 흑연계 소재 및 수지와 흑연을 혼합한 복합 흑연 재료를 사용해서 제조하여 왔다. 그러나, 상기 흑연계 소재는 기계적 강성과 밀폐성 및 전기전도성이 금속계 소재에 비해 떨어지는 문제점이 있어, 상기 분리판을 금속계 분리판으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

분리판을 금속계 분리판으로 적용하게 된다면, 분리판 두께 감소를 통한 연료전지 스택의 부피 감소 및 경량화가 가능하고, 스탬핑(Stamping) 등을 이용한 제조가 가능하여 대량생산성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

지금까지 내부식성이 좋은 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 및 니켈 합금 등이 금속 분리판의 후보 재료로 검토되고 있으며, 이 중에서 스테인리스강은 비교적 저렴한 소재 원가 및 우수한 내식성 등의 장점에 의해 분리판 소재로 많은 주목을 받고 있다.

한편, 금속 분리판은 매우 얇은 두께(0.1~0.2mm) 의 박막을 사용함으로 인해 프레스 성형에 의한 유로 가공 및 매니폴더부 생성시 스프링백 현상이 발생된다. 이는 불규칙적으로 휘어지는 현상을 의미하는데, 금속 분리판의 두께가 얇아질수록 이러한 휨 현상은 더욱 크게 나타난다.

이러한 분리판의 휨 현상은 성형하고자 하는 설계도면의 형상을 얻는데 악영향을 미칠 수 있으며, 두 개의 분리판을 스팟 용접시 정확히 접합되는 것이 아니라, 간극이 발생되어 이는 품질분량으로 이어지게 된다.

따라서, 금속 분리판의 성형시, 휨 현상을 저감시킬 수 있도록 평탄도를 개선시킬 수 있는 분리판의 개발이 필요한 실정이다.

한국 공개특허 제10-2011-0013963호

전술한 문제점을 해결하기 위하여,

본 발명의 목적은 분리판의 성형시 휨 현상을 저감시킬 수 있도록 평탄도를 개선시킬 수 있는 연료전지 분리판을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전체적이 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 하나의 실시예에서,

반응유로가 형성된 플레이트; 및

플레이트의 양측에 형성되어, 반응유로에 유체를 공급하고 배출시키도록 홀이 형성된 매니폴드; 를 포함하며,

플레이트의 외곽을 따라 변형 방지부가 형성되되,

상기 변형 방지부는 플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판을 제공한다.

본 발명은 다른 하나의 실시예에서,

연료전지 분리판을 포함하는 단위전지; 및

스택 형태로 적층되는 적어도 하나의 단위전지를 결합하는 결합부; 를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판은 플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출된 변형 방지부에 의해 평탄도를 개선할 수 있다.

아울러, 상기 분리판을 포함하는 연료전지 스택을 제공할 수 있다. 상기 연료전지 스택은 평탄도가 개선된 분리판에 의해 반응유체들이 누출되는 것을 방지할 수 있어, 전체적이 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공할 수 있다.

도 1은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도이다.
도 2는 연료전지 스택의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 분리판을 도시한 평면도이다 ((a) 애노드 분리판, (b) 캐소드 분리판).
도 4는 실험예에서 변형 방지부 포함 유무에 따른 분리판의 변형을 비교하기 위한 사진이다((a) 변형 방지부 미포함, (b) 변형 방지부 포함).

본 발명은 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평탄도 개선을 위한 연료전지 분리판에 관한 것이다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판은 플레이트의 일변으로 볼록하게 돌출된 변형 방지부에 의해 평탄도를 개선할 수 있어, 온도 변화에 따른 뒤틀림을 방지할 수 있으며, 이에 따른 접촉불량이나 파괴 등을 예방할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 상기 분리판을 포함하여, 전체적이 성능 향상이 가능한 연료전지 스택을 제공할 수 있다.

본 발명에서 "연료전지"는 연료의 화학적 에너지를 전기적으로 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 애노드(anode) 측인 연료극에는 연료(예를 들어, 수소가스)가 공급되고, 캐소드(cathode)측인 공기극에는 산화제(일례로 공기)가 주입되며, 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지로 변환되는 장치이다. 이러한 반응과정은 다음의 반응식 1 또는 2와 같다.

[반응식 1]

음극(Cathode): 1/2O₂ + 2e^- ↔ O^-2

양극(Anode): O^-2 + H₂ ↔ H₂O + 2e^-

[반응식 2]

음극(Cathode): 1/2O₂ + 2H⁺ → H₂O

양극(Anode): H₂ → 2H⁺ + 2e^-

한편, 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 및 SOFC 의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.

연료전지는 연료(수소)와 산화제가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전 효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적으로 가치를 높일 수 있다.

일 예로, 본 발명에서 연료전지는 산소 이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면에 위치한 전극으로 공기극 및 연료극을 포함할 수 있다. 이와 같이, 전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료전지를 단위전지라 하며, 이러한 단위전지는 공기극과 연료극 사이에 연료전지용 반응가스인 산화제 또는 연료를 각각 순환하여 반응시 에너지를 생산할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 전기에너지의 생산량을 증가시키기 위해 다수의 단위전지를 적층하여 일체로 결합하여 스택 형태로 적층한 연료전지 스택(stack)으로 제공될 수 있다.

이때, 연료전지 스택은 이루는 각각의 단위전지에서 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 반응가스의 혼합을 막기 위해 본 실시예의 "연료전지 분리판"이 설치될 수 있다.

여기서, "연료전지 분리판" 이란, 연료전지 내부를 구성하는 일부로, 전류 이동, 연료와 산화제의 분산 및 셀 분리 등의 기능을 수행하기 위한 분리판을 의미한다.

아울러, "평탄도" 라 함은, 금속 분리판의 플레이트의 평평함을 나타내는 기준을 의미하는 것으로, 본 발명에서 "평탄도 개선"이란, 금속 분리판의 성형시 휨 현상을 저감시키는 것을 방지할 수 있는 정도를 의미한다. 한편, 금속 분리판은 본 발명의 연료전지 분리판을 의미한다.

본 발명에서 "일면"은 제1면을 의미하는 것으로, 도면상에 도시된 분리판의 상면인 전면을 의미하며, "타면"이라 함은 제2면을 의미하는 것으로, 도면상에 도시된 분리판의 상면의 반대면인 배면을 의미한다.

아울러, "제1방향"은 횡방향을 의미하는 것으로, x축 방향인 가로방향일 수 있으며, "제2방향"은 종방향을 의미하는 것으로, y축 방향인 세로방향일 수 있다.

본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 연료전지 분리판을 도시한 평면도 ((a) 애노드 분리판, (b) 캐소드 분리판), 도 4는 본 발명의 연료전지 분리판의 구조를 도시한 단면도이다.

이하, 도 3 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 상세히 설명한다.

본 발명은 하나의 실시예에서,

반응유로(110)가 형성된 플레이트(100); 및

플레이트(100)의 양측에 형성되어, 반응유로(110)에 유체를 공급하고 배출시키도록 홀이 형성된 매니폴드(120); 를 포함하며,

플레이트(100)의 외곽을 따라 변형 방지부(130)가 형성되되,

상기 변형 방지부(130)는 플레이트(100)의 일면으로 볼록하게 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판(10)을 제공한다.

플레이트(100)는 연로전지용 분리판(10)으로 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 플레이트(100)는 얇은 박막의 금속 형태로 제공될 수 있으며, 탄소와 고분자로 제조한 복합 분리판 또는 스테인리스강 재질로 구성될 수 있다. 특히, 스테인리스강 재질로 구성될 수 있다.

이러한 플래이트(110)는 중심부에 반응부(150)가 형성될 수 있으며, 반응부(150)는 반응유로(110)가 형성되어 반응이 일어나는 부분으로서, 연료전지 시스템의 배치에 따라 전면이나 후면 중의 적어도 한 면에는 연료극 유로나 공기극 유로가 형성될 수 있다.

구체적으로, 두 개의 바이폴라판(애노드 분리판, 캐소드 분리판)이 하나로 결합되는 분리판이 연료전지의 반응유로이며, 서로 독립적인 수소유로와 공기 유로 및 작동과정 중 연료전지를 냉각시키는 역할을 하는 냉각수가 흐르는 유로를 만들게 한다(미도시).

또한, 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체를 사이에 두고 두 판이 하나로 결합되어 이루는 바이폴라판들이 적층되면 연료전지의 단위 셀이 되는 것이고, 여러개 적층된 후에, 양단에 지지블럭을 조립하여 연료전지 스택을 제작하게 된다.

한편, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 플레이트(100)의 외곽을 따라 변형 방지부(130)가 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나의 실시예에서, "변형 방지부(130)"라 함은, 금속 분리판(10)의 평탄도를 개선시키기 위한 수단으로, 플레이트(100)의 일면으로 볼록하게 돌출되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, "플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출" 이라 함은 플레이트(130)의 타면으로부터 일면, 즉, 플레이트의 배면으로부터 전면으로 돌출된 형태를 의미하는 것으로, 일종의 요철형태의 철(凸)부를 의미할 수 있다.

특히, 변형 방지부(130)는 플레이트(100)의 외곽을 따라 일면으로 볼록하게 돌출되도록 형성됨으로써, 변형 방지부(130)가 없을 때 보다 응력 집중도를 완화시킬 수 있으며, 이에 따라 평탄도를 개선시킬 수 있다.

아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 변형 방지부(130)는 평균폭이 2 내지 7 mm 로 형성될 수 있다. 또는 3.5 내지 6.5 mm, 4 내지 6 mm, 4.5 내지 5.8 mm 또는 5 내지 5.7 mm 로 형성될 수 있다.

이는 종래 대비 일면으로 돌출된 폭의 증가로 인하여 평탄도를 증가시킬 수 있다. 한편, 변형 방지부(130) 폭이 3 mm 미만인 경우, 폭이 너무 좁아 분리판의 성형이 어려울 수 있으며, 7 mm 를 초과하는 경우 변형 방지부의 폭이 너무 넓어 패턴이 형성된 부분에 응력이 집중되어 분리판의 성형 또는 높은 온도에서 뒤틀리는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 폭의 범위가 바람직하다.

특히, 플레이트(100)의 양 측인, 제2방향을 따라 형성된 폭이 종래 대비 증가하면서, y축인 제2방향에 대한 평탄도를 상승시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 변형 방지부(130)는 물결패턴(131)으로 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 물결패턴(131)은 가로축, 즉 제1방향의 평탄도를 상승하기 위한 것으로, 플레이트(100)의 상부 및 하부에 각각 형성될 수 있으며, 제1방향을 따라서 확장되도록 형성될 수 있다. 이때, 각각의 물결패턴의 소정의 폭이 형성되는 것이 바람직하며, 각각의 물결패턴의 폭은 상술한 변형방지부의 폭과 대응될 수 있다. 구체적으로, 2 내지 7 mm 로 형성될 수 있다. 또는 3.5 내지 6.5 mm, 4 내지 6 mm, 4.5 내지 5.8 mm 또는 5 내지 5.7 mm 로 형성될 수 있다. 여기서, 물결패턴(131)의 폭은 돌출된 부분인 철(凸)부를 의미한다.

만일, 상기 물결패턴(131)의 폭이 2 mm 미만인 경우, 폭이 너무 좁아, 분리판의 성형이 어려울 수 있으며, 7 mm 를 초과하게 되면, 돌출된 물결패턴(131)의 폭이 너무 넓어, 패턴 부분에 응력이 집중되어 분리판의 성형시 또는 높은 온도에서 뒤틀리는 현상이 발생할 수 있다.

한편, 물결패턴(131)이 플레이트(100)의 외곽 전면에 형성될 수 있으나, 플레이트의 상부 및 하부에만 형성되는 것은 평탄도를 증가시켜주기 위함이다. 구체적으로, 동일한 패턴의 물결패턴(131)이 플레이트(100)의 외곽 전면에 형성되면, 분리판 성형시 응력이 플레이트의 외곽 전면에 발생하게 되어, 플레이트의 중앙부에 뒤틀림이 발생할 수 있다.

이에 따라, 물결패턴(131)은 플레이트(100)의 좌/우(제2방향)에는 배제하여 형성될 수 있다. 다만, 플레이트(100)의 외곽 좌/우에 형성된 변형 방지부(130)는 플레이트의 외곽의 모양을 따라 형성될 수 있다.

아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 평균두께 0.1 내지 0.5 mm 일 수 있다. 특정 양태로서, 0.1 내지 0.4 mm, 0.1 내지 0.3 mm 또는 0.1 내지 0.2 mm 일 수 있다. 한편, 플레이트의 열적 변형을 방지하기 위해서, 플레이트(100)의 두께를 두껍게 할 수 있으나, 비용도 증가하는 원인이 되기 때문에, 가능하면 플레이트(100)의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 플레이트(100)의 두께가 0.1 mm 미만인 경우, 플레이트(100)의 두께가 너무 얇아 반응부(150)에 변형응력이 집중될 수 있어, 이에 따라 열적 뒤틀림 등의 변형이 발생할 수 있다.

아울러, 플레이트(100)의 두께가 0.5 mm 를 초과하는 경우, 플레이트(100)의 두께가 너무 두꺼워 상술한 바와 같이 비용도 증가할 수 있으며, 최종 생산하게 되는 스택의 두께도 두꺼워질 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 사각형 형태이며, 플레이트(100)의 양측에는 매니폴드(120)가 형성되어 있다. 구체적으로, 플레이트(100)의 모서리 부분에는 공기입구(1201)와 공기출구(1201')가 배치되어 있다. 또는 수소입구(1202)와 수소출구(1202')가 배치될 수 있다.

공기는 공기입구(1201)를 통해 유입되고, 공기출구(1201')를 통해 배출되며, 수소는 수소입구(1202)와 수소출구(1202')를 통해 배출된다. 한편, 공기입구(1201) 및 공기출구(1201')는 캐소드 분리판에 형성될 수 있으며, 수소입구(1202)와 수소출구(1202')는 애노드 분리판에 형성될 수 있다.

아울러, 상기 공기입구(1201)와 공기출구(1201') 또는 수소입구(1202)와 수소출구(1202')의 중앙부에는 냉각수 입구(1203)와 냉각수 출구(1203')가 배치될 수 있다. 냉각수는 냉각수 입구(1203)를 통해 유입되고, 냉각수 출구(1203')을 통해 배출된다.

한편, 상기 플레이트(100)는 매니폴드(120)를 둘러싸는 보강패턴(121)을 포함할 수 있다.

상기 보강패턴(121)은 상술한 변형 방지부(130)의 하나의 구성일 수 있으며, 이 또한, 분리판의 변형되는 방지하기 위한 구성이다.

구체적으로, 상기 보강패턴(121)은 매니폴드(120)를 둘러싸되, 플레이트(100)의 외곽을 둘러싸는 것으로, 상술한 물결패턴(131)으로부터 확장된 형태일 수 있으며, 이 또한, 플레이트(100)의 일면으로 돌출된 형태일 수 있다.

상기 매니폴드(120)는 플레이트(100)의 모서리에 형성되어 있기 때문에, 상기 보강패턴은 플레이트(100)의 모서리의 평탄도를 상승시키기 위함이다.

아울러, 플레이트(100)에서, 수소, 공기 및 냉각수 유로가 형성된 부분의 외곽부로는 가스켓 댐(미도시)이 제공된다. 가스켓댐에는 플레이트상을 유동하는 수소, 공기 및 냉각수 등이 누출되지 않도록 실링하기 위한 가스켓이 삽입될 수 있다.

아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플레이트(100)는 매니폴드(120)와 연통되는 가스출입부(140)가 형성되며, 상기 가스출입부(140)는 제1방향을 따라 확장되는 복수개의 가이드바(141)를 포함한다.

가스출입부(140)는 반응부(150)로 공기를 전달하기 위한 공간이며, 가이드바(141)는 공기를 반응부(150)로 보다 용이하게 전달하기 위함이다.

아울러, 복수개의 가이드바(141)는 플레이트(100)의 일면으로 돌출되며, 이웃하는 가이드바(141)의 말단과 단차가 형성되되, 플레이트의 내측에서 외측으로 갈수록 가이드바(141)의 길이는 길게 형성될 수 있다.

가스 출입부(140)는 제1방향으로 확장되되 내부에 공간이 형성될 수 있으며, 상기 공간에 복수개의 가이드바(141)가 형성될 수 있다.

본 명세서에서 편의상 상기 복수개의 가이드바(141)를 제1가이드바(1411), 제2가이드바(1412), 제3가이드바(1413)로 지칭하도록 한다. 복수개의 가이드바(141)의 개수는 복수개를 포함하는 것으로, 그 개수는 한정되지 않는다.

제1가이드바(1411), 제2가이드바(1412) 및 제3가이드바(1413) 모두 가스 출입부(140)의 공간에서 제1방향을 따라 확장되어 형성될 수 있으나, 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1가이드바(1411) 보다는 제2가이드바(1412)의 길이가 더 길 수 있으며, 제2가이드바(1412) 보다는 제3가이드바(1413)의 길이가 더 길게 형성될 수 있다. 여기서, 반응부(150)와 인접한 가이드바를 제1가이드바(1411)로 지칭하도록 한다.

한편, 상기 가이드바(1411, 1412, 1413)의 일측의 동일한 축(y축)상에 형성될 수 있으나, 말단인 타측은 서로 다른 축(y축)상에 형성될 수 있다. 즉, 이웃하는 가이드바는 서로 단차가 형성될 수 있다. 이는 매니폴드(120) 내로 유입되는 수소를 반응부(150)로 보다 용이하게 유입시키기 위함이며, 또한, 반응부의 반응가스가 매니폴드(120)로 보다 용이하게 배출하기 위함이다.

아울러, 상기 가이드바(141)는 가스의 유입 및 배출을 용이하게 함과 동시에 분리판(10)의 평탄도를 증가시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 가이드바(141)도 상술한 바와 같이, 플레이트(100)의 일면으로 돌출되어 형성됨으로써, 분리판의 성형시 또는 높은 온도에서 응력을 분산시킬 수 있어, 분리판(10)이 뒤틀리는 현상을 방지할 수 있다.

아울러, 플레이트(100)는 반응유로(110)를 구분하는 복수개의 돌출바(151)를 포함하며, 복수개의 돌출바(151)는 제2방향을 따라 확장될 수 있다.

이때, 복수개의 돌출바(151) 는 0.5 내지 3 mm 간격으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 이때, 복수개의 돌출바(151)는 서로 이웃하는 돌출바(151)와 0.5 내지 3 mm 간격, 0.7 내지 2.8 mm 간격, 1.0 내지 2.6 mm 또는 2.45 mm 간격으로 배열될 수 있다.

상기 돌출바(151)는 분리판(10)의 중앙부인 반응부(150)의 평탄도를 상승시키기 위한 것으로, 상기 돌출바(151)의 배열간격은 배치되는 돌출바(151)의 개수에 따라 변경할 수 있다.

이러한 복수개의 돌출바(151)의 간격이 0.5 mm 미만인 경우, 반응유로(110)를 구분하기 위한 돌출바(151)의 개수가 너무 많이 배치되어, 반응유로(110)의 간격이 너무 좁아져 반응유체의 이동이 어려울 수 있다. 뿐만 아니라, 돌출바(151)의 개수가 너무 많이 배치되어, 분리판의 제조시 또는 높은 온도에서 응력이 돌출바(151)에 집중되어 플레이트의 중심부에 휨 현상이 발생할 수 있다.

한편, 복수개의 돌출바(151)의 간격이 3.0 mm 를 초과하여 배열되는 경우, 돌출바(151)의 개수가 너무 적어 반응유체를 용이하게 안내하지 못하고, 이 또한, 돌출바(151)의 개수가 너무 적어 플레이트의 중앙부에 응력이 집중됨으로써, 휨 현상이 발생될 수 있다.

한편, 상기 복수개의 돌출바(151)는 제2방향을 따라 확장되어 형성될 수 있으나, 서로 동일한 길이로 형성될 수 있으나, 서로 이웃하는 돌출바(151)의 일단은 서로 단차가 형성될 수 있으며, 타단 또한 단차가 형성될 수 있다.

플레이트(100)에 형성된 변형 방지부(130), 보강패턴(121), 물결패턴(131), 가이드바(141), 돌출바(151) 등은 분리판(10)의 평탄도를 개선시키기 위함이며, 분리판(10)의 프레스 성형시 함께 가공될 수 있으며, 또는 분리판 내부의 반응유로 프레스 성형 이후 별도의 공정을 통해 가공될 수 있다.

본 발명은 다른 하나의 실시예에서,

연료전지 분리판을 포함하는 단위전지; 및

상술한 바와 같이, 전해질, 공기극, 연료극 및 연료전지 분리판으로 이루어진 연료전지를 단위전지라 하며, 이러한 단위전지는 공기극과 연료극 사이에 연료전지용 반응가스인 산화제 또는 연료를 각각 순환하여 반응시 에너지를 생산할 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 실시예에서는 전기에너지의 생산량을 증가시키기 위해 다수의 단위전지를 적층하여 일체로 결합하여 스택 형태로 적층한 연료전지 스택(stack)으로 제공될 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 스택은 평탄도가 개선된 분리판(100)을 포함하여, 연료전지 스택의 이상 작동을 방지할 수 있고, 전체적인 성능 향상이 가능하며, 스택의 전체적인 높이를 낮출 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.

<실험예>

실험예 1. 평탄도 측정

변형 방지부를 포함하지 않는 연료전지 분리판과 변형 방지부를 포함하는 연료전지 분리판을 제조하였다. 그리고, 두 종류의 연료전지 분리판의 평탄도를 측정하였으며, 그 결과를 도 4((a) 변형 방지부 미포함, (b) 변형 방지부 포함)에 나타내었다.

보다 구체적으로, 기준면(바닥)에 분리판을 놓고 기준면과 분리판의 사각모서리(네곳)의 높이 단차(h)를 측정하여 평균을 내었다.

그 결과, 평균 높이 단차(h)는 변형 방지부 미포함 연료전지 분리판(a)은 0.8mm 였고, 변형 방지부 포함 연료전지 분리판(b) 은 0.3mm 였다. 즉, 변형 방지부 포함 연료전지 분리판(b)이 변형 방지부 미포함 연료전지 분리판(a) 보다 평균 높이 단차(h)의 수치값이 작은 것으로 평탄도가 개선된 것을 확인할 수 있었다.

특히, 도 4를 참조하면, 도 4(a)는 육안으로도 연료전지 분리판의 변형이 일어난 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명에 의한 연료전지용 집전체 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 구체적으로 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해서 그 범위가 결정 되어지고 한정되어진다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 명세서의 기재내용에 의한 다양한 변형 및 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.

10: 연료전지 분리판
100: 플레이트
110: 반응유로
120: 매니폴드
1201: 공기입구 1201': 공기출구
1202: 수소입구 1202': 수소출구
1203: 냉각수 입구 1203' 냉각수 출구
121: 보강패턴
130: 변형 방지부 131: 물결패턴
140: 가스출입부
141: 가이드바
1411: 제1가이드바 1412: 제2가이드바
1413: 제3가이드바
150: 반응부 151: 돌출바

Claims

반응유로가 형성된 플레이트; 및
플레이트의 양측에 형성되어, 반응유로에 유체를 공급하고 배출시키도록 홀이 형성된 매니폴드; 를 포함하며,
플레이트의 외곽을 따라 변형 방지부가 형성되되,
상기 변형 방지부는 플레이트의 일면으로 볼록하게 돌출되며,
변형 방지부는 플레이트의 상부 및 하부에서만 제1방향을 따라 확장된 물결 패턴으로 형성되며,
플레이트의 외곽 좌/우에 제2 방향을 따라 형성된 변형 방지부는 물결 패턴이 배제되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
삭제
제1항에 있어서,
변형 방지부의 돌출된 폭은 평균 2 내지 7 mm 인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,
플레이트는
매니폴드를 둘러싸는 보강패턴을 포함하는 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,
플레이트는
평균두께 0.1 내지 0.5 mm 인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,
플레이트는
매니폴드와 연통되는 가스출입부가 형성되며,
상기 가스출입부는 제1방향을 따라 확장되는 복수개의 가이드바를 포함하는 연료전지 분리판.
제6항에 있어서,
복수개의 가이드바는
플레이트의 일면으로 돌출되며,
이웃하는 가이드 바의 말단과 단차가 형성되되, 플레이트의 내측에서 외측으로 갈수록 가이드 바의 길이는 길게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
제1항에 있어서,
플레이트는
반응유로를 구분하는 복수개의 돌출바를 포함하며,
복수개의 돌출바는 제2방향을 따라 확장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
제8항에 있어서,
복수개의 돌출바는
0.5 내지 4 mm 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
제1항에 따른 연료전지 분리판을 포함하는 단위전지; 및
스택 형태로 적층되는 적어도 하나의 단위전지를 결합하는 결합부; 를 포함하는 연료전지 스택.